非选择题增分练(二)　速率常数、化学平衡常数

这是一份非选择题增分练(二)　速率常数、化学平衡常数，共9页。

2Al2O3(s)＋2N2(g) eq \(,\s\up7(高温)) 4AlN(s)＋3O2(g) ΔH>0。
①下列可作为反应达到平衡的判据是________(填字母)。
A．固体的质量不再改变
B．2v正(N2)＝3v逆(O2)
C．ΔH 不变
D．容器内气体的压强不变
E．N2分子数与O2 分子数比为 2∶3
②在起始压强为p的反应体系中，平衡时 N2的转化率为α，则上述反应的平衡常数 Kp__________[对于气相反应，用某组分 B 的平衡压强 p(B)代替物质的量浓度c(B)也可表示平衡常数，记作Kp，如p(B)＝p总·x(B)，p总为平衡总压强，x(B)为平衡系统中B的物质的量分数]。
③为促进反应的进行，实际生产中需加入焦炭，其原因是________________________。
解析： ①A项，消耗2 ml Al2O3会生成4 ml AlN，固体质量减少，当固体的质量不再改变时，反应达到了平衡状态；B项，2v正(N2)＝3v逆(O2)表示的正、逆反应速率不相等，不是平衡状态；C项，ΔH取决于反应物和生成物的总能量的相对大小，和是否平衡无关；D项，该反应是反应前后气体体积不相等的反应，在平衡建立过程中，气体总物质的量一直在改变，即容器内压强一直在改变，所以当容器内气体的压强不变时，反应达到了平衡状态；E项，N2分子数与 O2 分子数之比和起始投料以及转化率有关，当N2分子数与O2分子数比为 2∶3时，反应不一定是平衡状态。
②反应2Al2O3(s)＋2N2(g) eq \(,\s\up7(高温)) 4AlN(s)＋3O2(g)，由于反应物中只有N2是气体，所以起始压强p即为起始时N2的分压，列三段式求Kp，已知平衡时N2的转化率为α，则
2Al2O3(s)＋2N2(g) eq \(,\s\up7(高温)) 4AlN(s)＋3O2(g)
起始 p 0
变化 pα 1.5pα
平衡 p－pα 1.5pα
Kp＝ eq \f(（1.5pα）3,（p－pα）2) ＝ eq \f(（1.5α）3,（1－α）2) p。
③为促进反应的进行，实际生产中需加入焦炭，焦炭和氧气反应，放出热量。焦炭既可以消耗氧气，使生成物浓度降低，又可以提供热量，这两方面的作用都可以使平衡右移，从而促进反应的进行。
答案：①AD ② eq \f(（1.5α）3,（1－α）2) p ③消耗O2、提供能量，均能使平衡向右移动
2．合成氨工艺(流程如图所示)是人工固氮最重要的途径。
2018年是合成氨工业先驱哈伯(F·Haber)获得诺贝尔奖100周年。N2和H2生成NH3的反应为：
eq \f(1,2) N2(g)＋ eq \f(3,2) H2(g)NH3(g) ΔH(298 K)＝－46.2 kJ·ml－1
在Fe催化剂作用下的反应历程为(*表示吸附态)
化学吸附：N2(g)→2N*；H2(g)→2H*；
表面反应：N*＋ H*NH*；NH*＋ H*NH eq \\al(\s\up1(*),\s\d1(2)) ；NH eq \\al(\s\up1(*),\s\d1(2)) ＋H*NH eq \\al(\s\up1(*),\s\d1(3))
脱附：NH eq \\al(\s\up1(*),\s\d1(3)) NH3(g)
其中， N2的吸附分解反应活化能高、速率慢，决定了合成氨的整体反应速率。 请回答：
(1)利于提高合成氨平衡产率的条件有________(填字母)。
A．低温 B．高温
C．低压 D．高压
E．催化剂
(2)标准平衡常数Kθ＝ eq \f(\f(p（NH3）,pθ),\b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\c1(\f(p（N2）,pθ)))\s\up6(\f(1,2))·\b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\c1(\f(p（H2）,pθ)))\s\up6(\f(3,2))) ，其中pθ为标准压强(1×105 Pa)，p(NH3)、p(N2)和p(H2)为各组分的平衡分压，如p(NH3)＝x(NH3)·p，p为平衡总压，x(NH3)为平衡系统中NH3的物质的量分数。
①N2和H2起始物质的量之比为1∶3，反应在恒定温度和标准压强下进行，NH3的平衡产率为w，则Kθ＝____________________(用含w的最简式表示)。
②下图中可以示意标准平衡常数Kθ随温度T变化趋势的是______。
解析：(1)合成氨反应是气体体积减小的放热反应，所以低温、高压有利于提高合成氨的平衡产率，A、D正确。
(2)①Kθ＝ eq \f(\f(p（NH3）,pθ),\b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\c1(\f(p（N2）,pθ)))\s\up6(\f(1,2))\b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\c1(\f(p（H2）,pθ)))\s\up6(\f(3,2)))
＝ eq \f(\f(pθx（NH3）,pθ),\b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\c1(\f(pθx（N2）,pθ)))\s\up6(\f(1,2))\b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\c1(\f(pθx（H2）,pθ)))\s\up6(\f(3,2)))
＝ eq \f(x（NH3）,[x（N2）]\s\up6(\f(1,2))[x（H2）]\s\up6(\f(3,2)))
eq \f(1,2) N2(g) ＋ eq \f(3,2) H2(g)NH3(g)
起始量/ml eq \f(1,2) eq \f(3,2) 0
平衡量/ml eq \f(1,2) － eq \f(1,2) a eq \f(3,2) － eq \f(3,2) a a
根据题意得： eq \f(a,1) ＝w
。
②反应 eq \f(1,2) N2(g)＋ eq \f(3,2) H2(g)NH3(g) ΔH(298 K)＝－46.2 kJ·ml－1为放热反应，温度T升高，平衡向逆反应方向移动，Kθ减小，标准平衡常数减小，ln Kθ也减小，ln Kθ与温度不成正比。
答案：(1)AD (2)① eq \f(4\r(3)w（2－w）,9（1－w）2) ②A
3．用焦炭还原NO2的反应为2NO2(g)＋2C(s)N2(g)＋2CO2(g)，在恒温条件下，1 ml NO2和足量C发生该反应，测得平衡时NO2和CO2的物质的量浓度与平衡总压的关系如图所示：
(1)A、C两点的浓度平衡常数关系：Kc(A)________(填“＜”“＞”或“＝”)Kc(C)。
(2)A、B、C三点中NO2的转化率最高的是________(填“A”“B”或“C”)点。
(3)计算B点时该反应的压强平衡常数Kp(B)＝______(Kp是用平衡分压代替平衡浓度进行计算，分压＝总压×物质的量分数)。
解析：(1)A、C两点的温度相同，所以平衡常数相等。(2)由题图知，A、B、C三点中NO2的转化率最高的是C点。(3)B点时，设反应达平衡时，生成的CO2的物质的量为2a ml，根据三段式法得：
2NO2(g)＋2C(s)N2(g)＋2CO2(g)
起始量/ml 1 0 0
转化量/ml 2a a 2a
平衡量/ml 1－2a a 2a
由题图知，B点时，NO2和CO2浓度相等，则1－2a＝2a，解得a＝0.25，则B点时NO2和CO2的分压也相等，所以Kp(B)＝ eq \f(p2 （CO2）·p（N2）,p2（NO2）) ＝p(N2)＝16 MPa× eq \f(0.25,0.5＋0.25＋0.5) ＝3.2 MPa。
答案：(1)＝ (2)C (3)3.2 MPa
4．甲烷水蒸气的重整反应是工业制备氢气的重要方式，其化学反应方程式为CH4(g)＋H2O(g)CO(g)＋3H2(g)。
通过计算机模拟实验，对400～1 200 ℃、操作压强为0.1 MPa条件下，不同水碳比(1～10)进行了热力学计算，反应平衡体系中H2的物质的量分数与水碳比、平衡温度的关系如图所示。
据模拟实验可知，平衡温度为900 ℃，水碳比为1.0时，H2的物质的量分数为0.6，CH4的转化率为________________，其压强平衡常数为________________；反应速率方程为v＝kp(CH4)p－1(H2)，此时反应速率＝________________(已知：气体分压＝气体的物质的量分数×总压，速率方程中k为速率常数)。
解析：操作压强为0.1 MPa、平衡温度为900 ℃条件下，水碳比为1.0时，H2的物质的量分数为0.6，设甲烷和H2O的物质的量均为a ml，达化学平衡时，甲烷消耗x，
CH4(g)＋H2O(g)CO(g)＋3H2(g)
起始/ml a a 0 0
转化/ml x x x 3x
平衡/ml a－x a－x x 3x
则CH4的转化率φ(H2)＝ eq \f(3x,2a＋2x) ＝0.6，得x＝ eq \f(2,3) a，
α(CH4)＝ eq \f(\f(2,3)a,a) ×100%＝66.67%。
已知：气体分压＝气体的物质的量分数×总压，p(CH4)＝p(H2O)＝ eq \f(\f(1,3)a,\f(10a,3)) ×p总＝0.1p总，p(H2)＝0.6p总，p(CO)＝ eq \f(1,3) p(H2)＝0.2p总，压强平衡常数为Kp＝ eq \f(p（CO）·p3（H2）,p（CH4）·p（H2O）) ＝ eq \f(0.2p总×（0.6p总）3,0.1p总×0.1p总) ＝4.32p eq \\al(\s\up1(2),\s\d1(总)) ＝4.32×(0.1 MPa)2＝4.32×10－2(MPa)2；
反应速率方程为v＝kp(CH4)p－1(H2)，此时反应速率v＝k eq \f(0.1p总,0.6p总) ＝ eq \f(k,6) 。
答案：66.67% 4.32×10－2(MPa)2 eq \f(k,6)
5．乙酸是生物油的主要成分之一，乙酸制氢具有重要意义：
热裂解反应：CH3COOH(g)===2CO(g)＋2H2(g)
ΔH＝213.7 kJ·ml－1
脱酸基反应：CH3COOH(g)===CH4(g)＋CO2(g)
ΔH＝－33.5 kJ·ml－1
若利用合适的催化剂控制其他的副反应，温度为T K时达到平衡，总压强为p kPa，热裂解反应消耗乙酸20%，脱酸基反应消耗乙酸60%，乙酸体积分数为________(计算结果保留1位小数)；脱酸基反应的平衡常数Kp为____________kPa(Kp为以分压表示的平衡常数，计算结果保留1位小数)。
解析：热裂解反应：CH3COOH(g)===2CO(g)＋2H2(g)
0.2 0.4 0.4
脱酸基反应：CH3COOH(g)===CH4(g)＋CO2(g)
0.6 0.6 0.6
乙酸体积分数为 eq \f(1－0.2－0.6,0.4＋0.4＋0.6＋0.6＋0.2) ×100%≈9.1%；
Kp＝ eq \f(p（CH4）p（CO2）,p（CH3COOH）) ＝ eq \f(\f(0.6p,2.2)×\f(0.6p,2.2),\f(0.2p,2.2)) ≈0.8p。
答案：9.1% 0.8p
6．(1)Na2SO3的氧化分富氧区和贫氧区两个阶段，贫氧区速率方程为v＝k·ca(SO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(3)) )，富氧区反应速率方程v＝k·c(SO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(3)) )·c(O2)，k为常数。
①当溶解氧浓度为4.0 mg·L－1，此时Na2SO3的氧化位于贫氧区时，c(SO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(3)) )与速率数值关系如下表所示，则a＝________。
②由富氧区速率方程v＝k·c(SO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(3)) )·c(O2)，当其他条件不变时，SO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(3)) 、O2的浓度分别增大为原来的2倍，反应速率为原来的_______倍。
(2)两个阶段的速率方程和不同温度的速率常数之比如下表所示。已知ln eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(k2,k1))) ＝ eq \f(Ea,R×\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(1,T2)－\f(1,T1)))) ，R为常数，则Ea(富氧区)________(填“＞”或“＜”)Ea(贫氧区)。
解析：(1)①利用表中数据，3.65与7.3，根据反应常数k不变及贫氧区速率方程可得 eq \f(10.2,3.65a) ＝ eq \f(40.8,7.3a) ，解得a＝2；②根据富氧区速率方程v＝k·c(SO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(3)) )·c(O2)，SO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(3)) 、O2的浓度分别增大为原来的2倍，k不变，则速率v为原来的4倍。
(2)ln eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(k2,k1))) 随Ea的增大而增大，富氧区中ln eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(k2,k1))) 的值小于贫氧区，则Ea(富氧区)＜Ea(贫氧区)。
答案：(1)①2 ②4 (2)＜
7．反应2As2S3(s)4AsS(g)＋S2(g)达平衡时气体总压的对数值lg(p/kPa)与温度的关系如图所示：
(1)对应温度下，B点的反应速率v(正)________(填“>”“<”或“＝”)v(逆)。
(2)A点处，AsS(g)的分压为________kPa，该反应的Kp＝________(Kp为以分压表示的平衡常数)。
解析：(1)根据图像，图中所给曲线为平衡线，依据反应方程式，B点达到A点，气体总压的对数值增大，说明反应向正反应方向进行，即v(正)>v(逆)。
(2)A点气体总压为1 kPa，分压等于总压×气体组分物质的量分数，即AsS(g)的分压为1 kPa× eq \f(4,5) ＝0.8 kPa，S2(g)的分压为1 kPa× eq \f(1,5) ＝0.2 kPa，Kp＝p4(AsS)×p(S2)＝(0.8)4×0.2＝8.192×10－2。
答案：(1)> (2)0.8 8.192×10－2
8．Burns和Daintn研究了反应Cl2(g)＋CO(g)COCl2(g)的动力学，获得其速率方程v＝k[c(Cl2)] eq \s\up6(\f(3,2)) [c(CO)]m，k为速率常数(只受温度影响)，m为CO的反应级数。
①该反应可认为经过以下反应历程：
第一步：Cl22Cl 快速平衡
第二步：Cl＋COCOCl 快速平衡
第三步：COCl＋Cl2 ―→COCl2＋Cl 慢反应
下列表述正确的是________(填字母)。
A．COCl属于反应的中间产物
B．第一步和第二步的活化能较高
C．决定总反应快慢的是第三步
D．第三步的有效碰撞频率较大
②在某温度下进行实验，测得各组分初浓度和反应初速度如下：
CO的反应级数m＝_________________，当实验4进行到某时刻，测得c(Cl2)＝0.010 ml·L－1，则此时的反应速率v＝_________________ml·L－1·s－1(已知： eq \r(0.1) ≈ 0.32)。
解析：①根据反应历程，COCl属于反应的中间产物，故A正确；第一步和第二步反应能够快速达到平衡，说明反应容易进行，反应的活化能较低，故B错误；反应的快慢由最慢的反应决定，因此决定总反应快慢的是第三步，故C正确；第三步的反应较慢，说明有效碰撞频率较小，故D错误；②速率方程v＝k[c(Cl2)] eq \s\up6(\f(3,2)) [c(CO)]m，根据表格数据，当c(Cl2)不变时，c(CO)增大1倍，反应速率增大1倍，说明v与c(CO)的一次方成正比，m＝1，则1.2×10－2＝k(0.100) eq \s\up6(\f(3,2)) (0.100)1，因此当k＝ eq \f(1.2,\r(0.1)) ，因此当c(Cl2)＝0.010 ml·L－1，v＝ eq \f(1.2,\r(0.1)) ×(0.010 0) eq \s\up6(\f(3,2)) ×(0.010 0)1 ml·L－1·s－1＝3.75×10－5 ml·L－1·s－1。
答案：①AC ② 1 3.75×10－5
c(SO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(3)) )×10－3
3.65
5.65
7.3
11.65
v×106
10.2
24.5
40.8
104.4
反应阶段
速率方程
eq \f(k（297.9 K）,k（291.5 K）)
富氧区
v＝k·c(SO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(3)) )·c(O2)
1.47
贫氧区
v＝k·ca(SO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(3)) )·cb(O2)
2.59
实验
序号
c(Cl2)/
(ml·L－1)
c(CO)/
(ml·L－1)
v/(ml·L－1·s－1)
1
0.100
0.100
1.2×10－2
2
0.050
0.100
4.26×10－3
3
0.100
0.200
2.4×10－2
4
0.050
0.050
2.13×10－3